Energie speichern durch Umwandlung in Grünen Wasserstoff Universitäten in Kyoto und Braunschweig arbeiten an effizienterer Wasserstoffherstellung

Die größten Herausforderungen der Energiewende bleiben die Zwischenspeicherung und der Transport von Energie aus erneuerbaren Quellen. Eine Möglichkeit zur Lösung zeichnet sich im Rahmen der Wasserstofftechnologie ab. Überschüssige regenerative Energie kann über eine effiziente Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt und damit in gasförmiger Form speicherbar gemacht werden. Durch den Einsatz von Brennstoffzellen ist es möglich, die Energie wieder verfügbar zu machen. Die Technische Universität Braunschweig forscht zusammen mit der Kyoto Universität in Japan an der Optimierung von Elektroden, die in der Wasserstoff-Herstellung durch Elektrolyse von zentraler Bedeutung sind. Ziel ist der Einsatz leistungsfähigerer und zugleich ressourcenschonender Materialien.

Katalysatorprobe, Bildnachweis: Nicolas Schlüter.

Wasserstoff ist einer der Hoffnungsträger der Energiewende. Er kommt als Energieträger der Zukunft für Antriebe und auch als Speicherlösung im Rahmen des „Power-to-Gas“-Konzepts in Frage. Nachhaltig wird es jedoch erst, wenn dabei sogenannter Grüner Wasserstoff verwendet bzw. hergestellt wird. Die Farbe weist hierbei auf den Ursprung hin: Grüner Wasserstoff wird durch die Elektrolyse von Wasser hergestellt. Dafür wird Strom aus erneuerbaren Energiequellen verwendet. Grüner Wasserstoff verursacht also keine CO₂-Emissionen.

Damit die Speicherlösung mit Grünem Wasserstoff, also die Umwandlung überschüssiger Energie aus regenerativen Quellen in Wasserstoff, effizient funktioniert, steht der Elektrolyseprozess auf dem Prüfstand. Herzstück dieses Prozesses sind Elektroden.

Prinzip der Wasserspaltung

An den Elektroden finden die Reaktionen der Wasserspaltung statt. An der Kathode ist dies die „hydrogen evolution reaction (HER)“: Hier werden Protonen (H⁺) zu molekularem Wasserstoff (H₂) reduziert. An der Anode findet die „oxygen evolution reaction (OER)“ statt, wobei Wasser (H₂O) zu molekularem Sauerstoff (O₂) oxidiert wird. Dabei entstehen Protonen, die durch die Membran zur Kathode transportiert werden. Die Elektroden bestehen hierbei aus Schichten von Katalysatorpulvern, die auf die beiden Seiten der Membran aufgebracht wurden.

Bislang werden als Katalysatoren Edelmetalle oder Verbindungen dieser verwendet. Als Katalysator für die „hydrogen evolution reaction“ findet nahezu alternativlos Platin auf einem Kohlenstoffträger Anwendung. Beschränkt wird die Leistung der Elektrolyse durch die OER, die im Vergleich zur HER viel langsamer abläuft. Weiterhin leidet die Langzeitstabilität unter den oxidativen Bedingungen auf der Anodenseite.

Neue Elektrodenmaterialien – verfügbarer, effizienter, nachhaltiger

Felix Kerner, Bildnachweis: Nicolas Schlüter.

Als Katalysator für die Anode kommt bis heute hauptsächlich Iridiumdioxid zum Einsatz. Dieses stellt einen guten Kompromiss zwischen Aktivität und Stabilität da. „Allerdings gehört Iridium zu den seltensten natürlich vorkommenden Elementen der Erde, wodurch die Verfügbarkeit begrenzt und der Preis relativ hoch ist“, sagt Felix Kerner, Doktorand am Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik (InES) der TU Braunschweig.

„Im Rahmen des Projektes ‚Durable and Efficient Compound Electrodes for Hydrogen Generation in PEM Electrolysis‘, kurz DECoH, arbeiten wir zusammen mit Wissenschaftler*innen und Ingenieur*innen in Japan an langlebigen und effizienten Elektroden für die Wasserstoffentwicklung“, so Kerner. Die Kolleg*innen der Kyoto Universität in Japan werden neue Katalysatormaterialien entwickeln, die einen verringerten Iridiumgehalt aufweisen. Gleichzeitig sollen sowohl Aktivität als auch Langzeitstabilität der Katalysatormaterialien verbessert werden.

Die TU Braunschweig wird die hergestellten Katalysatoren in Elektrolyseuren im Labormaßstab sowie mit mathematischen Modellen evaluieren und daraus Richtlinien zur Optimierung von Leistung, Stabilität und Effizienz der Elektroden ableiten.

Das Projekt soll dazu beitragen, sowohl grundlegende Erkenntnisse als auch Erfahrungen auf der Produktionsebene zu gewinnen. „Darüber hinaus zielt es darauf ab, das Potential der Wasserstoffökonomie lokal bei den Projektpartnern, aber auch für die beiden beteiligten Länder zu erschließen. Weiterhin wird es dazu beitragen, die enge internationale Zusammenarbeit zwischen Forschung und Industrie zu intensivieren und die gezielte Weiterentwicklung der Elektrolyse-Technologien zu ermöglichen“, sagt Kerner.

Wasserstoffforschung in Japan

Japan ist eines der ersten Länder, das 2017 eine umfassende Wasserstoffstrategie auf den Weg gebracht hat und an konkreten Plänen für den Aufbau einer „Wasserstoffgesellschaft“ arbeitet. Japan ist bereits führend beim Thema Wasserstoff, besonders in den Bereichen Verkehr, Heizen und Energieerzeugung. Brennstoffzellenbetriebene Produkte wie PKW und Gebäudeheizungen sind bereits auf dem Markt verfügbar. In Zukunft soll Wasserstoff ähnlich wie heute Öl in großen Mengen produziert, gehandelt und verbraucht werden. Hinter den Vereinigten Staaten und China investiert Japan die drittmeisten Gelder in Forschung und Entwicklung.

Auf dem Weg nach Chigasaki zum Projektpartner TOHO Titanium. Bildnachweis: Daniel Schröder.

Forschende der TU Braunschweig reisten Ende September 2022 nach Japan, um die Projektpartner vor Ort zu treffen. „Wir besuchten den Katsura Campus der Universität Kyoto und haben dort zusammen mit Dr. Thorsten Hickmann von der Firma Eisenhuth Professor Kohei Miyazaki getroffen. Er hat uns auf den neuesten Stand bezüglich seiner Katalysatorforschung gebracht. Wir haben ihm von unserem geplanten Messaufbau sowie geplanten Experimenten berichtet. Nach einer Labortour haben wir bereits erste Proben der neuartigen Katalysatoren erhalten“, berichtet Felix Kerner.